JPH09133326A - エアブラスト噴霧ノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造寸法を小さくし、圧力損失を低くして、
コーキング傾向をわずかにする。 【解決手段】 液体燃料およびガス燃料により運転され
るバーナ１の運転のためのエアブラスト噴霧ノズル２に
おいて、内側および外側の両空気通路１４，１３の間の
中間壁１８が、内側および外側の支持部材２１を介して
保持されており、これらの支持部材が摺動個所２８を備
えており、かつスワール発生羽根として形成されること
ができる。エアブラスト噴霧ノズル２の霧化縁１９はノ
ズル軸線１１へ向けて屈曲されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃焼技術分野に関す
るものであり、液体燃料およびガス燃料により運転され
るバーナの運転のためのエアブラスト噴霧ノズルであっ
て、該エアブラスト噴霧ノズルが、主として、霧化縁へ
液体燃料を供給するための少なくとも１つの手段を端部
に備えかつ中央部でノズル軸線の周りに配置された１つ
の液体燃料管と、空気供給導管から空気の供給を受ける
２つの同軸的な空気通路と、選択的にこれらの空気通路
に対して同軸的に配置されたパイロットガス通路と、ノ
ズル外套体とから成り、両方の空気通路およびパイロッ
トガス通路がそれぞれ中間壁により互いに仕切られてお
り、空気通路がエアブラスト噴霧ノズルの霧化横断面で
バーナ内室内へ開口しており、外側の空気通路がこの霧
化横断面の手前で狭くなっており、かつ、内側の空気通
路と外側の空気通路との間の中間壁が下流側の端部で前
記霧化縁を形成している形式のものに関する。

【０００２】つまり本発明によるエアブラスト噴霧ノズ
ルは、エアブラスト原理に基づいて作動する、バーナ内
で液体燃料を霧化するための噴霧ノズルであって、バー
ナの液体燃料による運転にもガス燃料による運転にも適
しており、かつ特に有害物質放出の少ない二重円錐構造
の予混合バーナ内で使用することのできる形式のものに
該当する。

【０００３】

【従来の技術】有害物質放出の少ない予混合燃焼のため
には、燃料が燃焼に先立って可能な限り均一に燃焼空気
と混合されなければならない。液体燃料が使用された場
合、液体燃料は予め霧化される必要がある。その際、液
体燃料噴流は個々の細かい液滴に分割されるので、液体
燃料は可能な限り大きな蒸発表面積を得る。

【０００４】燃焼室内での液体燃料の霧化のために、い
わゆるエアブラスト噴霧器(airblast-zerstaeuber)が使
用される(A.H. Lefebvre, Airblast Atomization, Pro
g. Energy Combust. Sci. vol. 6, p.233-261, 1980参
照）。このエアブラスト器は特にガスタービンの運転の
ために適している。このエアブラスト器は比較的ゆっく
り運動する液体燃料を大きな速度を有する空気流により
霧化するように構成されている。その際、液体燃料は固
有運動量を有していない。霧化しようとする液体燃料は
例えばほぼ一定厚の薄い膜として霧化縁に供給される。
この霧化縁は空気流により両側から、つまり外側の空気
流と内側の空気流とにより囲まれる。その場合、両方の
空気流の剪断フィールド内に位置する霧化リップにおい
て液体燃料の霧化、つまり予膜霧化(prefilming atomiz
ation)が行われる。

【０００５】その場合周知の通り、液体燃料は中央のオ
イル噴霧器またはいわゆる油膜形成装置を介して供給さ
れる。この油膜形成装置は霧化縁の上流にこの霧化縁の
構成部材に組み込まれており、従って、比較的厚い霧化
縁構成部材を必要とする。

【０００６】空気を適切に霧化縁へ偏向させるために、
内側の空気流にスワールを与えるかかつ／または内側の
空気流が中央体を介して外向きに偏向させられる。

【０００７】このような公知技術の欠点とするところ
は、この構成部材の直径が大きいこと、もしくは横断面
が狭いためノズル内での圧力低下が著しいことにある。

【０００８】一般に、内側の空気流にスワールを与えよ
うとすると、ノズル直径が大きくなる。それゆえ、その
対策としてエアブラスト噴霧器が押し退け体を備えて形
成される。しかし、この押し退け体の欠点とするところ
は、下流でのコーク形成およびゴム形成の著しい増大の
原因となることにある。火炎へ近付くので、付加的に、
この部分の冷却は一般に解決し難い問題である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題とすると
ころは、前述の欠点をすべて回避すべく、液体燃料の霧
化のためのエアブラスト噴霧ノズルを改良して、ガス運
転のためにも使用可能にし、構造寸法を小さくし、かつ
これにより例えば二重円錐構造の予混合バーナ内での使
用に良く適するようにし、コーク形成およびゴム形成を
削減するように構成すると共に、ノズル内での圧力損失
をも削減することにある。さらに本発明の課題とすると
ころは、ガス運転時には霧化空気を絞り、液体燃料によ
る運転時には所要の霧化空気を調量することのできる機
構を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の構成では、内側の空気通路と外側の空気通路
との間の中間壁が、中間壁と液体燃料管との間に配置さ
れた内側の支持部材と、中間壁とノズル外套体との間に
配置された外側の支持部材とにより保持されており、か
つ、霧化縁がノズル軸線へ向けて屈曲されているように
した。

【００１１】

【発明の効果】本発明の利点とするところは、エアブラ
スト噴霧ノズルの構造がコンパクトであり、かつその直
径が最小であること、従って二重円錐構造の予混合バー
ナ内でこのエアブラスト噴霧ノズルを特に良好に使用す
ることができることにある。さらに別の利点とするとこ
ろは、汚物の堆積もしくは過熱の傾向を有する部材をノ
ズル出口のところに配置する必要がないことにある。さ
らに、ノズル内の圧力損失がわずかであり、霧化リップ
における設計圧力の軽減が得られる。

【００１２】液体燃料管が軸方向で摺動可能であり、こ
れに対してノズル外套体がバーナの構成部分を成してい
て不動に固定されており、その場合、液体燃料管に設け
た内側の支持部材と、内側および外側の空気通路の間の
中間壁との間に摺動個所が設けられていると特別効果的
である。これにより、油膜噴霧器の移動を介して液体燃
料管の熱膨張を吸収することができる。それゆえ、バー
ナに対する霧化縁の位置が変化しない。さらに別の利点
とするところは、パイロットガス導管と噴霧器との間の
問題の多いシールが不要となることにある。それという
のは、この個所では外側の噴霧器部分がバーナの構成部
材を成しているからである。さらに本発明の利点とする
ところは、液体燃料管の組付け時に、敏感な噴霧器部分
がバーナ内に留まることができ、従って損傷を免れるこ
とにある。

【００１３】本発明のさらに別の構成では、噴霧器全体
をその構成部材相互の相対運動なしに構成し、全体とし
て外側のところで摺動せしめることも可能である。

【００１４】さらに有利には、市販の圧力噴霧器、特に
ホローコーン噴霧器を介して液体燃料が供給される。液
体燃料の供給のために、液体燃料管の閉鎖端部に半径方
向または斜めに設けられた簡単な孔も適している。この
場合、霧化縁に付加的に設けられた越流突起を介して燃
料膜が均一化されると有利である。

【００１５】さらに、内側および外側の支持部材がスワ
ール発生羽根として形成されていると有利である。空気
にスワールを与えることにより、一層良好な霧化が得ら
れる。その場合、内側の空気流のスワールは霧化リップ
を囲む空気流を良好にし、他面において、外側の空気流
のスワールは噴射角αに影響を与える。さらに、燃料の
供給もスワールを付されて（ノズル軸線に対して半径方
向または斜めに）行うことができる。

【００１６】さらに、本発明に基づくエアブラスト噴霧
ノズルの運転のための方法においては、ガス燃料による
運転時にバーナ内室内への空気供給流が少なくとも部分
的に絞られ、かつ有利にはこの絞り込みがガス運転また
はオイル運転での液体燃料管の種々異なる熱膨張に基づ
いて行われる。この絞り機構は簡単に実現される。

【００１７】

【発明の実施の形態】次ぎに本発明の複数の実施例を図
１から図７までの図面について説明する。

【００１８】図面には本発明の理解にとって重要なエレ
メントだけが図示されている。作動媒体の流れ方向は矢
印で示されている。

【００１９】図１はエアブラスト噴霧ノズルを備えた、
二重円錐構造の予混合バーナの配置を概略的に示す。

【００２０】二重円錐バーナとして形成されたバーナ１
（以下たんにバーナ）の上流側の端部にエアブラスト噴
霧ノズル２が配置されている。このエアブラスト噴霧ノ
ズルには、バーナ１に結合された燃料供給ランス３を介
して液体燃料４と、液体燃料４の霧化のために使用され
る圧縮空気から成る霧化空気５とが供給される。燃料供
給ランス３はさらにバーナ１のためのガス燃料６をも供
給する。他面においてこのバーナ１はバーナフード８の
内部の室からその主バーナ空気の供給を受ける。エアブ
ラスト噴霧ノズル２のための霧化空気５はバーナフード
８の外部に配置されたプレナム（図示せず）から供給す
ることもできる。さらに、この実施例ではバーナ１の軸
線近傍での燃焼ガスの富化のために、燃料供給ランス３
を介して付加的なガス燃料（パイロットガス９）がバー
ナ１内へ噴入される。下流でバーナ１は燃焼室１０内へ
開口している。

【００２１】図２はエアブラスト噴霧ノズル２を拡大部
分断面して示す。エアブラスト噴霧ノズル２はノズル軸
線１１の周りに配置された液体燃料４のための液体燃料
管１２と、これに対して同軸的に配置されたそれぞれ１
つの内側の空気通路１４と外側の空気通路１３とを備え
ている。両方の空気通路１３，１４は上流で、ノズルへ
の霧化空気５を案内する空気供給導管１５に接続されて
おり、かつ霧化横断面１６においてバーナ内室１７内へ
開口している。空気通路１３，１４は中間壁１８により
互いに仕切られているので、霧化空気５は外側の空気流
５ａと内側の空気流５ｂとに分割される。この中間壁１
８は本発明によればその下流側の端部でノズル軸線１１
へ向けて屈曲されており、かつその場所で霧化リップ２
０を備えた霧化縁１９を形成している。有利には均一間
隔で周囲にわたり配置された内側および外側の支持部材
２１を介して、霧化縁１９を含めた中間壁１８は液体燃
料管１２とノズル外套体２３との間に保持されている。
その場合、内側の支持部材２１は液体燃料管１２と中間
壁１８との間に配置されているのに対し、外側の支持部
材２１は中間壁１８とノズル外套体２３との間に配置さ
れている。この実施例では、バーナ１内にパイロットガ
ス通路２２が設けられており、このパイロットガス通路
２２は、バーナ内室内でのガス燃料６の富化に役立つパ
イロットガス９の供給のために使用される。パイロット
ガスのこの供給によりバーナの安定範囲が拡張される。
パイロットガス通路２２は図２によればノズル外套体２
３とバーナ１の壁とにより仕切られている。エアブラス
ト噴霧ノズル２とバーナ１との結合ならびにパイロット
ガス通路２２へのパイロットガスの供給は図２には図示
されていない。後者の供給は例えばバーナ壁に配置され
た、ここには図示されていないパイロットガスのための
供給孔により実現される。エアブラスト噴霧ノズル２は
例えば、図示されていないカバーを介してバーナに結合
することができる。このカバーは、パイロットガス通路
２２の上流側の端部でノズル外套体２３とバーナ１の壁
とに全周にわたり溶接されていて、パイロットガス通路
２２を閉鎖している。他の実施例ではパイロットガス通
路２２の配置を省くことができるのは勿論である。

【００２２】液体燃料４、有利にはオイルは市販の交換
可能なオイル圧力噴霧器２４を介して薄い膜状に霧化縁
１９へ供給される。ホローコーン噴霧器が最適である
が、しかし良好に霧化された燃料コアを形成するフルコ
ーン噴霧器を使用することもできる。霧化縁１９は本発
明によれば内向きに狭められており、これにより、霧化
横断面１６内もしくは霧化リップ２０において最大の空
気速度が得られるようになっている。外側の空気通路１
３内に案内された外側の空気流５ａは同様に霧化縁１９
のところで狭窄部を介して霧化リップ２０へ案内され
る。この霧化リップ２０においては燃料膜が両方の空気
流５ａ，５ｂの剪断力により細かく霧化される。高い空
気速度は霧化の品位向上に積極的に作用する。

【００２３】その場合、噴射角αは両方の空気流５ａ，
５ｂの分割と出口横断面のジオメトリとにより影響され
る。

【００２４】図２の上半部に示された実施例では、内側
の支持部材２１が中間壁１８に固定的には結合されてい
ないので、この個所に摺動個所２８が存在している。こ
のことは、オイル圧力噴霧器２４をも含めた液体燃料管
１２の摺動を可能にするので、液体燃料管１２の熱膨張
を吸収することができ、しかも、バーナ１に対する霧化
縁１９の相対的な位置が変化することはない。このこと
は大きな利点である。この構成は若干長めの霧化スリー
ブ（すなわち中間壁１８）を必要とするだけである。さ
らに、このバージョンでは付加的にパイロットガス通路
２２とバーナ１内の噴霧器との間の問題となるシールを
省くことができる。それというのは、外側の噴霧器部分
がバーナ１の構成部材を成すからである。別の利点は、
敏感な噴霧器部分を燃料供給ランス３の組付け時にバー
ナ１内に留め置くことができ、これにより噴霧器が損傷
されないことにある。

【００２５】図２の下半部に示す別の実施例では、噴霧
器が全体として一体化されている。すなわち、内側およ
び外側の支持部材２１が、中間壁１８と液体燃料管１２
もしくはノズル外套体２３とに固定的に結合されてい
る。この場合には、エアブラスト噴霧ノズル２が全体と
して外側（摺動個所２９）からのみ摺動可能である。

【００２６】図３はさらに別の実施例を示し、この実施
例では液体燃料４が簡単な孔２５を介して霧化縁１９へ
供給される。これらの孔は液体燃料管１２の閉鎖端部に
半径方向または斜めに配置されている。燃料膜の均一
化、ひいては霧化の品位改善のために、霧化縁１９に越
流突起２６を配置することができる。

【００２７】さらに別の実施例が図４に示されている。
この実施例では、図３の実施例と異なり、支持部材２１
がスワール発生羽根２７として形成されている。霧化リ
ップ２０の周りの空気の流れを改善するために、内側の
支持部材２１だけをスワール発生羽根として形成して、
内側の空気流５ｂだけにスワールを与えることも可能で
ある。外側の空気流５ａだけにスワールを与えると、こ
れにより噴射角αに影響を与えることができる。図４か
ら判るように、内側ならびに外側の支持部材２１をスワ
ール発生器として形成することにより、両方の空気流５
ａ，５ｂにスワールを与えることもできるのは勿論であ
る。

【００２８】エアブラスト噴霧ノズル２を通して流れる
霧化空気５のためにバーナ１のガス運転が妨害されるた
め、この問題を解決すべく図７に示す実施例では、オイ
ル運転時とガス運転時との液体燃料管１２の熱膨張の相
違を利用するメカニズムが提案される。図７の上半部は
ガス運転の場合を示し、下半部はオイル運転の場合を示
している。図７では液体燃料管１２の下流側の端部のエ
アブラスト噴霧ノズル２は示されていない。ガス運転で
は、液体燃料管１２が圧縮機から到来した空気により加
熱され、これに応じた液体燃料管１２の熱膨張により、
バーナ内への霧化空気５の入口領域が狭まって霧化空気
５が絞られるか、もしくは入口が完全に閉鎖される。こ
れに対してオイル運転もしくは水の添加時には、比較的
冷たい液体燃料管１２の熱膨張が小さいため、この運転
条件での所要の霧化空気５が調量される（図７の下半部
の霧化空気５の入口領域が開放されていることを参照の
こと）。このことが可能な前提は、液体燃料管１２がケ
ーシングに固定的に取付けられており、かつバーナ１が
図７には示されていない燃焼室１０に固定的に配置され
ていることである。

【００２９】本発明に基づくエアブラスト噴霧ノズルの
霧化空気５をガス運転の際に絞るために、すでに説明し
たメカニズムとは別の、例えばパイロットガス９を用い
て押しのけることによって霧化空気５を絞り込むよう
な、既に公知の絞り機構が使用可能であるのは勿論であ
る。

【００３０】以上の要件をまとめると、本発明に基づく
エアブラスト噴霧ノズルは次に掲げる特徴を備えてい
る。すなわち、 （イ）最小直径を有するコンパクトな構造。

【００３１】（ロ）ノズル内でのわずかな圧力損失。

【００３２】（ハ）霧化リップにおける設計圧力の削
減。

【００３３】（ニ）汚物の堆積もしくは過熱の傾向を有
する構成部材がノズル出口に設けられていない。

【００３４】（ホ）噴射角αが狭い。

【００３５】（ヘ）臨界的なオイル横断面の簡単な校正
と交換性が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】エアブラスト噴霧ノズルを備えた二重円錐バー
ナの配置を示す略示図である。

【図２】一般的なオイル圧力噴霧器を使用した場合のエ
アブラスト噴霧ノズルの部分断面図である。

【図３】液体燃料管が閉鎖端部にノズル軸線に対して斜
めに配置された孔を備えた場合のエアブラスト噴霧ノズ
ルの部分断面図である。

【図４】スワール発生羽根として形成された支持部材と
越流突起とを備えたエアブラスト噴霧ノズルの部分断面
図である。

【図５】液体燃料にスワールを与えて供給するエアブラ
スト噴霧ノズルの部分断面図である。

【図６】図４のＶＩ−ＶＩ線に沿った部分断面図であ
る。

【図７】図面上半部にガス運転の場合を、かつ図面下半
部にオイル運転の場合を示すバーナ部分および液体燃料
管の部分断面図である。

【符号の説明】

１ バーナ（二重円錐バーナ）、 ２ エアブラスト噴
霧ノズル、 ３ 燃料供給ランス、 ４ 液体燃料、
５ エアブラスト噴霧ノズルのための空気（霧化空
気）、 ５ａ 外側の空気流、 ５ｂ 内側の空気流、
６ ガス燃料、７ 主バーナ空気、 ８ バーナフー
ド、 ９ パイロットガス、 １０ 燃焼室、 １１
ノズル軸線、 １２ 液体燃料管、 １３ 外側の空気
通路、 １４ 内側の空気通路、 １５ 空気供給導
管、 １６ 霧化横断面、 １７ バーナ内室、 １８
中間壁、 １９ 霧化縁、 ２０ 霧化リップ、 ２
１ 支持部材、 ２２ パイロットガス通路、 ２３
ノズル外套体、 ２４ オイル圧力噴霧器、 ２５
孔、 ２６ 越流突起、 ２７ スワール発生器、 ２
８，２９ 摺動個所、 α 噴射角

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体燃料（４）およびガス燃料（６）に
   より運転されるバーナ（１）の運転のためのエアブラス
   ト噴霧ノズル（２）であって、該エアブラスト噴霧ノズ
   ルが、主として、霧化縁（１９）へ液体燃料を供給する
   ための少なくとも１つの手段を端部に備えかつ中央部で
   ノズル軸線（１１）の周りに配置された１つの液体燃料
   管（１２）と、空気供給導管（１５）から空気の供給を
   受ける２つの同軸的な空気通路（１３，１４）と、選択
   的にこれらの空気通路に対して同軸的に配置されたパイ
   ロットガス通路（２２）と、ノズル外套体（２３）とか
   ら成り、両方の空気通路（１３，１４）およびパイロッ
   トガス通路（２２）がそれぞれ中間壁（１８）により互
   いに仕切られており、空気通路（１３，１４）がエアブ
   ラスト噴霧ノズル（２）の霧化横断面（１６）でバーナ
   内室（１７）内へ開口しており、外側の空気通路（１
   ３）がこの霧化横断面（１６）の手前で狭くなってお
   り、かつ、内側の空気通路（１４）と外側の空気通路
   （１３）との間の中間壁（１８）が下流側の端部で前記
   霧化縁（１９）を形成している形式のものにおいて、 内側の空気通路（１４）と外側の空気通路（１３）との
   間の中間壁（１８）が、中間壁（１８）と液体燃料管
   （１２）との間に配置された内側の支持部材（２１）
   と、中間壁（１８）とノズル外套体（２３）との間に配
   置された外側の支持部材（２１）とにより保持されてお
   り、かつ、霧化縁（１９）がノズル軸線（１１）へ向け
   て屈曲されていることを特徴とする、エアブラスト噴霧
   ノズル。
2. 【請求項２】 液体燃料管（１２）が軸方向に摺動可能
   であり、ノズル外套体（２３）がバーナ（１）の構成部
   分を成していて不動に固定されている、請求項１記載の
   エアブラスト噴霧ノズル。
3. 【請求項３】 エアブラスト噴霧ノズルの個々の構成部
   分が互いに不動に固定されており、かつエアブラスト噴
   霧ノズル（２）が全体としてのみ軸方向に摺動可能であ
   る、請求項１記載のエアブラスト噴霧ノズル。
4. 【請求項４】 液体燃料管（１２）に設けられた内側の
   支持部材（２１）と、内側の空気通路（１４）および外
   側の空気通路（１３）の間の中間壁（１８）との間に、
   摺動個所（２８）が設けられている、請求項２記載のエ
   アブラスト噴霧ノズル。
5. 【請求項５】 液体燃料（４）を供給するための手段が
   オイル圧力噴霧器（２４）から成っている、請求項１記
   載のエアブラスト噴霧ノズル。
6. 【請求項６】 オイル圧力噴霧器（２４）がホローコー
   ン噴霧器である、請求項５記載のエアブラスト噴霧ノズ
   ル。
7. 【請求項７】 オイル圧力噴霧器（２４）がフルコーン
   噴霧器である、請求項５記載のエアブラスト噴霧ノズ
   ル。
8. 【請求項８】 液体燃料（４）を供給するための手段
   が、液体燃料管（１２）の閉じた端部に半径方向または
   斜めに配置された孔（２５）である、請求項１記載のエ
   アブラスト噴霧ノズル。
9. 【請求項９】 霧化縁（１９）に越流突起（２６）が配
   置されている、請求項８記載のエアブラスト噴霧ノズ
   ル。
10. 【請求項１０】 外側および／または内側の支持部材
    （２１）がスワール発生羽根のようなスワール発生器
    （２７）として形成されている、請求項１記載のエアブ
    ラスト噴霧ノズル。
11. 【請求項１１】 請求項１から１０までのいずれか１項
    記載のエアブラスト噴霧ノズルを備えており、その液体
    燃料管（１２）がケーシングに固定的に取付けられてお
    り、かつバーナ（１）が燃焼室（１０）に固定的に取付
    けられており、かつガス燃料（９）による運転時にバー
    ナ内室（１７）内への空気供給流（５）が少なくとも部
    分的に絞られる形式のバーナ（１）を運転する方法にお
    いて、 ガス運転時またはオイル運転時の液体燃料管（１２）の
    互いに異なる熱膨張に基づいて絞りを実施することを特
    徴とする、エアブラストノズルを備えたバーナの運転
    法。